TEC2000教学机.ppt

TEC2000教学机 指令集ALU控制器 16位教学机TEC 2000的指令设计 指令格式指令集基本指令扩展指令 指令格式 16位教学机 支持单字和双字两种指令码长度寻址方式寄存器寻址寄存器间接寻址立即数寻址直接寻址相对寻址堆栈寻址变址寻址IO端口寻址 指令格式 按指令字长和操作数个数可分类为单字无操作数指令单字单操作数指令单字双操作数指令双字单操作数指令双字双操作数指令 单字无操作数 指令格式 单字单操作数 指令格式 单字单操作数 指令格式 基本指令及功能 单字双操作数 指令格式 双字单操作数 指令格式 基本指令及功能 双字双操作数 指令格式1 指令格式2 TEC2000的基本指令集 TEC2000的基本指令集 续 TEC2000的基本指令集 图片链接 TEC2000教学机 指令集ALU控制器 4位ALU Am2901的外部结构 Am2901的内部组成 4位ALU Am2901芯片的内部组成 略图 上升沿保存数据 Am2901的选择码功能 Am2901的选择码功能 Am2901的选择码功能 4片2901级联成16位ALU OC门 OpenCollector 俗称 集电极开路门 或 OC门 OC门的 线与 功能 16位ALU框图 16位ALU的外部辅助电路 标志位的更新控制码SST 最低进位Cin的生成控制码SCI 移位输入信号的生成控制码SSH ALU及其附加电路的控制信号 通用寄存器地址 4 2位 A3 0 B3 0选择码 9位 I8 0标志寄存器更新控制码 3位 SST2 0最低进位生成控制码 2位 SCI1 0RAM Q移位输入信号生成控制码 2位 SSH1 0上述24位控制信号由控制器直接指定教学机中 OE 0 D15 0 由控制器间接指定 ALU功能举例 ADDR1 R2 R1 R2 R1MVRRR1 R2 R2 0 R1MVRDR1 1000H D 0 R1SHLR1 R1 0 R1 左移 JR12H offset PC PC ALU功能举例 作业 针对TEC2000教学机 设计完成如下操作功能的操作步骤和必需提供的信号 1 把100送入R0 R0内容送入R1 完成R0 R1并存入R02 R1的内容减1 R1的内容送入Q R1和Q与C联合右移一位 TEC2000教学机 指令集ALU控制器 教学机控制器 教学机的组成指令的执行过程微程序控制器硬连线控制器 控制器 计算机由各种部件组成 每种部件在控制信号的控制下执行特定的操作 控制器决定每个时钟周期计算机系统所有部件的控制信号的取值 使所有部件相互配合 完成指令的执行 教学机由那些部件组成 每个部件的控制信号有哪些 部件在控制信号的每种取值组合下会执行何种操作 控制器的实现方式微程序控制器组合逻辑控制器 硬布线 教学机的组成 CU IR AR FR ALUR0 R15SP R4PC R5 16位开关 双向三态门 IDB DB AB 主存 IO接口1 IO接口2 CLK MMRD MMWR IORD IOWR IORD IOWR CB 主存 IO端口访问步骤 读主存步骤主存单元地址送ARAR输出打开 置MMRD有效 被读单元数据输出到DB 双向三态门置成输入 数据进入到IDB 最终被存储到一个寄存器中写主存步骤主存单元地址送ARAR输出打开 置MMWR有效 数据由IDB通过双向三态门送到DB DB数据被写入到被选通的主存单元读IO端口步骤IO端口地址送ARAR输出打开 置IORD有效 被读单元数据输出到DB 双向三态门置成输入 数据进入到IDB写主存步骤IO端口地址送ARAR输出打开 置IOWR有效 数据从IDB通过双向三态门送到DB DB数据被写入到被选通的主存单元 教学机的时钟 简化 CK 307 2KHz 送给ALU 通用寄存器 控制器 FR IR AR CK 控制器送出控制信号 写寄存器 FR IR AR等 写寄存器 两类信号配合系统时钟信号通过与门送给寄存器的时钟端寄存器的写控制信号决定是否屏蔽时钟信号 若不屏蔽 则时钟信号起作用 数据从输入端写入寄存器若屏蔽 则时钟信号不起作用 数据无法写入到寄存器 ALU及其附加电路的控制信号 通用寄存器地址 4 2位 A3 0 B3 0选择码 9位 I8 0标志寄存器更新控制码 3位 SST2 0最低进位生成控制码 2位 SCI1 0RAM Q移位输入信号生成控制码 2位 SSH1 0一共24位控制信号 到IDB的输出控制 寄存器输入控制 中断操作控制 内存 IO端口访问控制信号 教学机的所有控制信号 运算器 24内存 I O读写控制 3到IDB的输出控制 DC1 3寄存器输入控制 中断操作控制 DC2 3即控制器在每个时钟周期都要决定这33种控制信号的取值 时钟驱动的指令执行 CPU执行一条指令分成多个步骤 CPU在时钟的驱动下一步步的执行指令 每个时钟周期完成一个步骤的操作时钟周期 驱动CPU运行的系统时钟的周期 一个时钟周期可执行指令的一个步骤 指令周期 CPU取出并执行一条指令所需的全部时间 一个指令周期由多个时钟周期构成工作周期 完成每个大步骤需要的时间 一个指令周期由多个工作周期构成 工作周期 取指周期 取指令所用的时间 教学机中取指周期为两个时钟周期执行周期 执行指令所用的时间 不同指令执行周期可能不同 教学机中执行周期为1 4个时钟周期 按执行周期的长度 可将教学机的指令分成A D四组 教材P130 中断周期 中断判断和中断跳转所花的时间 执行周期结束时判断是否有中断请求 若有则进行中断跳转 完成以下操作标志寄存器入栈断点保护 PC入栈 中断跳转 中断服务程序入口地址 PC 教学机控制器 教学机的组成指令的执行过程微程序控制器硬连线控制器 一条指令的执行过程 指令执行步骤举例 主存储器按 16位字 编址 指令执行步骤举例 一个时钟周期可做的事1 写寄存器需要一个时钟周期2 无法并行进行的两次写寄存器操作必需放在不同的时钟周期内执行 指令执行步骤举例 指令执行步骤举例 指令执行步骤举例 教学机控制器 教学机的组成指令的执行过程微程序控制器硬连线控制器 控制器的功能 控制器的输入输出输入IR FR CLK输出控制信号 控制器 IR FR CLK 控制信号 33位 微程序控制器的相关概念 若一个指令的执行需要n个时钟周期 则每个时钟周期控制器送出的控制信号可由一条 微指令 提供 构成这个指令的n条微指令即实现该指令功能的 微程序 一条机器指令对应一个微程序 一条指令的微程序在CM中是顺序存储的吗 微程序控制器的相关概念 微指令的组成控制命令字段 指定计算机所有控制信号的取值下地址字段 指定下一条将要执行的微指令在CM中的地址 微程序控制器的相关概念 控制存储器CM 专用于存储微指令的ROM CPU指令集需要的所有微指令均存储在CM中 CM的每个字存储一条微指令 CM的字长由微指令的位数决定 微程序控制器的相关概念 微指令寄存器uIR 保存当前时钟周期正在执行的微指令下地址形成逻辑 形成下一条微指令的地址 用于寻址CM以得到下一条要执行的微指令没有跳转微指令 下地址形成逻辑必需根据指令操作码 标志寄存器值等即刻生成下一条微指令的地址 微程序控制器的组成 微程序的执行流程 顺序执行 uPC uPC 1无条件跳转 uPC 微指令下地址字段地址值双分支跳转 uPC 条件成立 微指令下地址字段地址值 uPC 1多分支跳转 用指令操作码 查表 MapROM 获得下地址 教学机指令集的微程序流程图 教学机指令的分类 按执行步骤数 A组 一步B组 两步C组 三步 基本指令集中无C组指令 D组 四步 执行周期微程序入口地址映射表 指令操作码 执行周期微指令入口地址 进入执行周期的多分支跳转的实现 MAPROM 8位操作码 MapRom地址输入 执行周期第一条微指令的地址 MapRom数据输出 教学机微程序控制器的基本组成 下地址生成器件 Am2910 Am2910部分功能及其控制条件 CC的生成 教学机微指令格式 微指令字长为51位 CM字长为56位 CM每个字存储一条微指令 每个字有5位空闲 SA SB 指明运算器A B口地址是由微指令中的A B地址字段给出 还是由IR的低8位给出 TEC2000微程序清单 作业 给出教学机扩展指令集中ADC RCR CALR指令的执行周期的各条微指令 要求安排每条微指令在CM中的地址 控制存储器中有256个字 参考P166给出微指令的说明信息和字段值 要实现从取指周期跳转到这三指令的执行周期 应对MAPROM做何改动 教学机控制器 教学机的组成指令的执行过程微程序控制器硬连线控制器 硬连线控制器 硬连线电路 CLK 控制信号 在每个时钟周期 送出恰当的控制信号 用于取指令 执行指令 中断处理 控制信号用组合逻辑电路生成 而不是从CM中取出 微程序控制器的组成 硬连线控制器 硬连线电路 CLK 控制信号 在每个时钟周期 送出恰当的控制信号 用于取指令 执行指令 中断处理 IR FR 硬连线控制器原理分析 一个指令的执行需要多个时钟周期例 ADD指令的执行过程如下 不考虑中断周期 t1 t2 t3 取指周期 执行周期 节拍 若执行一条指令需要n个时钟周期 则其中的每个时钟周期称为一个节拍 通常用ti i 1 2 n 来表示指令的第i个节拍 硬连线控制器原理分析 例 IN指令的执行过程如下 不考虑中断周期 t1 t2 t3 t4 取指周期 执行周期 教学机指令的t1 t2节拍总是取指令 后续的节拍用于执行周期和中断周期 硬连线控制器 组合逻辑电路 CLK 控制信号 在每个时钟周期 送出恰当的控制信号 用于取指令 执行指令 中断处理 IR FR 节拍发生器 同步时序电路 Ti 节拍编号 指令节拍 组合逻辑控制器中 一个时钟周期又称为一个节拍A组指令节拍 T1 T2 T3B组指令节拍 T1 T2 T3 T4C组指令节拍 T1 T2 T3 T4 T5D组指令节拍 T1 T2 T3 T4 T5 T6 节拍发生器的工作原理 功能 送出正确的节拍编号 节拍发生器 节拍编号 T1 T6 T0 CP Reset IR 节拍发生器的设计 令t1 001b t2 010b t6 110 ti可由一个包含3个触发器的时序电路产生 则ti的状态图如下 001 010 011 100 101 110 B C D组指令 A组指令 C D组指令 B组指令 C组指令 D组指令 CLK 驱动有限状态机的状态转移 指令分组判定 P132 P133 节拍发生器的设计 001 010 011 100 101 110 CLK 驱动有限状态机的状态转移 IR15 1 IR15 0 IR14 1 IR14 0 IR11 0 IR11 1 硬连线控制器的实现原理 组合逻辑电路 控制信号 IR t2节拍填充 FR 之前更新 CLK Reset 时序逻辑电路 节拍发生器 IR15 14 11 节拍编号 指出正在指行当前指令的那个节拍 硬连线控制器的实现原理 组合逻辑电路 控制信号 IR t2节拍填充 FR 之前更新 CLK Reset 时序逻辑电路 节拍发生器 IR15 14 11 结束 教学机指令节拍图 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 A组 t1 t2 t3B组 t1 t2 t4 t6C组 t1 t2 t4 t5 t7D组 t1 t2 t4 t6 t5 t7以 操作内容 定义节拍名 而不是以时钟顺序定义节拍名 教学机节拍信号的生成 1000 RESET 0000 0010 0011 IR15 0 A组 0110 IR15 1 B C D组 0100 IR14 0 IR14 1 IR11 1 B D组 0111 IR14 1 D组 IR14 0 B组 IR14 1 IR11 0 C组 0101 有限状态机 教学机节拍信号的生成 1000 RESET 0000 0010 0011 IR15 0 A组 0110 IR15 1 B C D组 0100 IR14 0 IR14 1 IR11 1 B D组 0111 IR14 1 IR11 1 D组 IR14 0 B组 IR14 1 IR11